2011年美国总统绿色化学挑战奖

熊叶丹，叶 君，熊 犍

（1华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642；2华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640）

美国环保署官方网站于2011年6月21日（北京时间）发布了2011年美国总统绿色化学挑战奖的获奖名单，本文介绍5个奖项的得主及其成果。

1 更绿色合成路线奖（Greener Synthetic Pathways Award）

Genomatica公司因用低值、可再生原料生产大宗基础化学品1,4-丁二醇（BDO）而获得更绿色合成路线奖。

BDO是大宗基础化工原材料，广泛用于制备通用聚合物产品，如弹力纤维、汽车用塑料、跑鞋等，全球每年约消耗28亿磅BDO，约三十亿美元的市场份额。Genomatica公司应用成熟的基因技术，开发了通过发酵糖制备BDO的方法。自2010年的上半年起，Genomatica公司已在小型发酵实验厂生产了3000 L的生化BDO，并在2011年开始向规模化推进。Genomatica公司的生化BDO各项指标已经与由石油生产的 BDO相近。各大化学品公司已经成功地利用生化BDO作为原料生产聚合物。

初步生产过程分析显示 Genomatica公司生产的生化BDO，只需由乙炔合成BDO法四成的能耗；同时生化BDO需要CO2来合成，因此可以减少七成的CO2排放；发酵生产生化BDO不需要有机溶剂，废水也可以循环使用；此外，生化 BDO的发酵途径只需要常温常压，生产环境更安全。

Genomatica公司的生化BDO生产设备投入少，生产开支较传统的BDO少15%～30%。Genomatica公司希望生化BDO在原油每桶45美元或者天然气每百万Btu3.5美元的时候仍有较强的竞争力。如果具备商业规模，生化 BDO比传统 BDO更便宜。Genomatica公司准备与大公司合作将生化BDO推向市场，其中包括 Tate &Lyle、M & G、Waste Management 以及 Mitsubishi Chemical等公司。Genomatica公司希望能于2012年开始，在美洲欧洲和亚洲实现商业化生产BDO。

2 更绿色反应条件奖（Greener Reaction Conditions Award）

Kraton公司（Kraton Performance Polymers，Inc.）因开发NEXARTM高聚物膜技术而荣获更绿色反应条件奖。

目前，通过反渗透膜纯化盐水的膜用量是膜过滤技术中膜用量最大者之一。Kraton公司开发的NEXARTM系列无卤素、高通量的聚合物膜可满足反渗透膜纯化盐水要求。NEXARTM系列膜是含有聚叔丁基苯乙烯的刚性链段、聚乙烯-丙烯刚-柔链段以及用于输送水或离子的苯乙烯-硫化苯乙烯链段的相分离的嵌段共聚物。这种A-B-C-B-A嵌段共聚物在干燥和潮湿条件下都具有高强度和高韧性。

较目前使用的反渗透膜，NEXARTM膜具有制备时只需很少的溶剂、没有聚氯乙烯（PVC）、机械强度高、水通量提高400余倍的优点，使用该膜安全、高效。以现运行良好的一个中等规模的反渗透（RO）工厂比较：使用NEXARTM膜保守估计可节省超过70%的膜成本和近50%的能源成本。因它机械强度高，在反向电渗析（EDR）的应用中可使用薄膜，从而降低原材料用量，且因膜电阻变小而降低能耗。

Kraton公司在 2010年已在美国、中国和德国使用了NEXARTM膜。在2010年第三季度，Karton成功地实现了10t规模的NEXARTM生产。

3 设计更绿色化学品奖（Designing Greener Chemicals Award）

Sherwin公司（Sherwin-Williams Company）因开发水基的丙烯酸醇酸涂料而获得设计更绿色化学品奖。

油基的醇酸涂料含有高挥发的有机物（VOC），在干燥过程中易造成空气污染。目前的丙烯酸类涂料含有较少的VOC，但性能不能与油基醇酸涂料媲美。为迎接这一挑战，Sherwin公司基于可持续性原则开发了新型、低 VOC水性丙烯酸醇酸涂料技术。其核心技术是低 VOC，且使烯醇树脂-丙烯酸易分散（LAAD），其成分主要是可循环使用的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、丙烯酸树脂和豆油。PET链段可增加涂料的刚性、硬度和抗水能力；丙烯酸可改进涂料的干燥次数和使用的耐久性；而豆油的功能是提高涂料的成膜性、光泽度、弹性和加工性能。该技术使水性丙烯酸涂料在建筑、工业维修等应用领域中达到油基醇酸涂料相同的使用效果。

自 2010年以来，Sherwin公司所生产的ProClassic水基丙烯酸醇酸、ProMar 200水基丙烯酸醇酸和ProIndustrial水基珐琅，足以减少超过80万磅的VOC和其它石油基原料的使用。

4 小企业奖（Small Business Award）

BioAmber公司（BioAmber，Inc.）因开发生物基的琥珀酸的综合生产和下游应用而荣获小企业奖。

琥珀酸是真正的“平台分子”，主要用于食品、药品和化妆品等多个领域。但是以石油原料生产生产琥珀酸的高成本限制了它的用途。BioAmber公司以一种大肠杆菌为催化剂和新的纯化过程制备琥珀酸，是第一个在中性介质中生物发酵、以水为主纯化制备琥珀酸的方法。它与传统石油法生产相比，成本低且原料可再生，生产过程能减少60%的能源，减少碳排放以及降低40%的成本。在原油低于每桶40美元时仍然有优势。

BioAmber公司既可生产琥珀酸，也可生产多种化学品，如脂肪酸、乙酸等。同时还将琥珀酸：①转换为 BDO以及其它碳四化合物；②生产琥珀酸酯，用于无毒溶剂以及替代在生产PVC及其它塑料中的邻苯二甲酸酯类增塑剂；③生产可生物降解、可再生的塑料。BioAmber公司还率先开发了聚丁二酸丁二醇，其超过50%来源于生物基，可以抗100℃以上高温，且可生物降解。

在2011年，BioAmber公司在北美建成的2000 kt的设备，每年能吸收8 t的二氧化碳。BioAmbe公司还与一些大化学品公司合作，如 Cargill、DuPont、Mitsubishi Chemical和 Mitsui & Co，将琥珀酸的生产量提高到商业化程度。

5 学术奖（Academic Award）

2011年的学术奖由加州大学圣巴巴拉分校的Bruce H. Lipshutz教授获得。他的研究使得结束对有机溶剂的依赖成为可能。

许多化学反应都在有机溶剂中进行，而有机溶剂易挥发、毒性大且易燃。每年全世界要用数以亿吨计的有机溶剂，而其中的大部分成为废弃物。水本身不能作为反应介质替代有机溶剂，因为许多化学物质不溶于水也不能在水中反应。目前表面活性剂可以提高有机反应物在水中的溶解度，但它们也会使得反应物分散，导致反应变慢。

Lipshutz教授设计了一种全新的第二代表面活性剂，命名为 TPGS-750-M。它由几种安全、可降解且价格便宜的成分组成：生育酚（维生素E）、琥珀酸及聚乙二醇单甲醚（MPEG-750）。TPGS-750-M可在水中形成“纳米胶粒”，内层是油溶性的，外层是水溶性的。少量的TPGS-750-M就可以在水中形成直径50～100 nm的纳米反应器来进行有机反应并获得高产率。

可以为很多有广泛应用的有机反应量身定做TPGS-750-M 尺寸，例如钯催化的偶联反应，反应物和催化剂溶解在这些胶粒中，得到高浓度的反应液，使得反应速度在常温下大大提高，且不需要其它能量。在室温下TPGS-750-M也可以应用于常用的有机反应，如Grubbs催化剂催化的反应，钯催化的Suzuki、Heck和Sonogashira偶联反应，不对称氨基化反应、烯丙基氨基化反应和硅烷化反应以及芳香基硼氧化，甚至钯催化的芳香族C—H键活化生成C—C键的反应也可以在室温下进行，并获得高产率。

总之，这项成果用非常少量的可溶于水的良性表面活性剂来替换大量的有机溶剂，且不需要高纯度的水，甚至在海水中也可以进行。Sigma-Aldrich现在已经有TPGS-750-M商品出售，为更多的实验室提供原料。